Ферма. Великая теорема Ферма

ГЛАВА 3 Современная теория чисел

Несмотря на важность Великой теоремы Ферма для последующего развития математики, если бы она стала его единственным вкладом в науку, фигура тулузского юриста не обладала бы такой значимостью. Но Ферма был первоклассным математиком, для многих историков — мыслителем, равным Архимеду, Эйлеру или Гауссу. Он внес важный вклад в одну из своих любимых областей — современную теорию чисел, которую сам же и создал.

Собственные делители числа, или его аликвоты (включая число 1, которое всегда является делителем любого числа),— это делители, отличающиеся от самого числа, на которые оно делится без остатка. А совершенное число — это число, равное сумме всех своих собственных делителей.

Приведем пример. Собственными делителями числа 6 являются 1,2 и 3, а 1+2 + 3 = 6. Следовательно, 6 — это совершенное число, первое, но не единственное из этих чисел. Пифагорейцы придавали большое значение мистике совершенных чисел. В частности, 6 сочетало в себе три первых числа, которые имели важное мистическое значение (единство, двойственность и троица как смесь единства и двойственности); 6 — объединение всех этих значений.

Греки обнаружили только четыре первых совершенных числа: 6, 28, 496 и 8128. Пятое было открыто лишь в XV веке: 33 550 336. Найти совершенное число нелегко. В марте 2012 года было известно только 47 из них, самое большое из которых содержит 25956377 знаков.

Евклид известен как великий геометр, но, однако, меньше всего обращают внимание на то, что в его "Началах" содержится много арифметических теорем. Знаменитому греческому математику мы обязаны, например, знанием того, что количество простых чисел бесконечно. В области совершенных чисел он доказал удивительный результат (см. рисунок): пусть N = 2ⁿ(2ⁿ⁺¹ - 1) - 2ⁿM, где под М мы подразумеваем множитель 2ⁿ⁺¹ - 1 (М — одно из так называемых чисел Мерсенна, как мы увидим далее). Тогда, говорит нам Евклид, N — совершенное число, если М — простое.

Как можно легко заметить, все эти числа N четные. Мы пока не знаем, существуют ли нечетные совершенные числа. Это одна из больших открытых проблем в теории чисел. Однако известно, что если они существуют, то они должны соответствовать ряду очень сложных условий. Многие математики думают, что было бы чудом, если бы они существовали. Мы также не знаем, бесконечно ли количество чисел вида Ν, поскольку неизвестно, бесконечно ли количество простых чисел вида M, то есть простых чисел Мерсенна. Через несколько лет после смерти Ферма Эйлер доказал, что теорема, обратная теореме Евклида, верна: любое совершенное число можно записать в виде Ν.

Очевидно, что существуют несовершенные числа. Они делятся на два типа: избыточные (сумма их собственных делителей меньше самого числа) и недостаточные (меньше этой суммы).

Графическое представление совершенного числа.

Данное доказательство принадлежит Евклиду, и оно осуществляется уже известным нам методом от противного. Предположим, что вывод ложен и количество простых чисел конечно. Это означает, что существует самое большое простое число. Назовем его p_n. Теперь составим число N из произведения всех простых чисел плюс один: N = p₁p₂... p_n-1 p_n + 1 = A_n + 1. Такое число не делится ни на одно простое число от p₁ до p_n, поскольку тогда на них должно было бы делиться как A_n, так и 1, и ясно, что ни одно число не является делителем 1, кроме него самого. То есть либо N — простое число, либо оно содержит простые множители, большие p_n. Следовательно, мы нашли простое число, большее p_n, что противоречит нашей гипотезе о том, что p_n — самое большое простое число. Получается, гипотеза ложна и количество простых чисел бесконечно.

Наконец, есть другие числа, тесно связанные с совершенными: так называемые дружественные числа. Два числа называются дружественными, когда сумма собственных делителей одного равна другому, и наоборот. В античности единственной известной парой дружественных чисел были 220 и 284. Действительно, собственные делители 220 — это 1,2,4,5,10,11,20, 22,44,55,110,а 284- 1 + 2 + 4+ 5+ 10 + 11 + 20 + 22 + 44 + 55 + 110. Аналогично, собственные делители 284 — это 1, 2, 4, 71, 142, а 220 - 1 + 2 + 4 + 71 + 142.

У этой пары дружественных чисел также было магико-мистическое значение. В Средние века верили, что если два человека съедят два куска хлеба, на каждом из которых написано одно из этих чисел, то они будут друзьями навсегда, даже если раньше не были знакомы.

Возрождение пифагорейского мистицизма в начале Нового времени поддерживало интерес к этим проблемам.

В книге "Трактат о всеобщей гармонии" Мерсенн утверждал, что Ферма открыл пару дружественных чисел, 17 296 и 18416, первую такую пару, обнаруженную со времен античности. Также, если верить данной книге, Ферма доказал, что как 120, так и 672 являются недостаточными числами, равными половине суммы их собственных делителей (эта сумма равна 240 и 1344 соответственно). Такие числа известны как мультисовершенные, или k-совершенные.

[Среди] знатных людей... которые внесли вклад в эту область математики и которых никто не может научить ничему новому, я бы повторил имя... [Этьена Паскаля] и добавил бы имя господина Ферма...

Комментарий Марена Мерсенна в книге "Трактат о всеобщей гармонии" (1636)

Итак, уже в 1636 году Ферма задумывался о том, как определить сумму собственных делителей заданного числа. На тот момент он уже явно знал, как это сделать. Его способ так и не был опубликован и сейчас утерян. Однако до нас дошел метод, которым мы обязаны Рене Декарту. Поскольку любое число может быть выражено в виде произведения степеней его простых множителей, N =p₁^k1p₂^k2...p_n^kn , собственные делители — это все возможные сочетания между данными множителями. Например, 1452 = 2² · 3 · 11², и его собственными делителями являются 2, 3, 11, 2², 11², 2 · 3, 2² · 3 и так далее, включая все сочетания. Декарт нашел формулу, которая на основе предыдущих результатов предлагала новый собственный делитель, пока все они не заканчивались. Это известно как рекурсивная формула. Метод Ферма явно аналогичный.

Математик получил несколько результатов на основе своего метода. Он послал Мерсенну пару решений, которые тот включил во вторую часть своей "Гармонии", опубликованной в 1637 году. Например, он предлагал общий метод нахождения дружественных чисел, подобный по структуре способу, который применял Евклид для нахождения совершенных чисел. Так, если три числа А = 3² · 2^2n-1, В = 3 · 2^n-1 и С = 3 х 2^n-1 - 1 простые, то 2ⁿА и 2ⁿВС дружественные. Обратите внимание на сходство данного результата с результатом Евклида о совершенных числах. Второй результат содержал подобную формулу для особого случая мультисовершенных чисел, которые являются третьей частью от суммы их собственных делителей. Рассуждение было аналогичным: если число некоего вида простое, то результат формулы — это число, дающее при умножении на 3 сумму собственных делителей. Ферма утверждал, что нашел подобные формулы для других мультисовершенных чисел, но они так и не стали известны.

У всех этих задач есть одна общая предпосылка: в каждой из них, прежде чем утверждать, можно считать число совершенным или пару чисел дружественными, или какое-то из них — мультисовершенным, нужно понять, являются ли некоторые числа определенной структуры простыми. Следовательно, нет ничего странного в том, что в переписке с Мерсенном в конце 1630-х годов Ферма все больше интересовало, существует ли способ установить, является ли число некоего вида простым.

Ферма понял, что основная задача теории чисел заключается в изучении простых чисел, проблемы разложения на простые множители и проблемы простоты числа (то есть определения, является ли число простым). Такое понимание делает его отцом современной теории чисел.

В античности Диофант опубликовал свою знаменитую "Арифметику", от которой сохранилась приблизительно половина. Это не трактат, как "Начала" Евклида, а сборник более чем 100 задач на определенные (с одним или небольшим количеством уникальных решений) и неопределенные уравнения (с бесконечным числом решений). В изложении его задач нет системного подхода, их решение обычно дается целенаправленно, индивидуально для каждой проблемы. Метод решения излагается в каждом отдельном случае в качестве примера. Когда Диофант сталкивался с неопределенным уравнением, он довольствовался тем, что находил только одно решение, игнорируя существование других возможных.

Поскольку греки считали, что числа бывают только рациональными положительными, числа же вроде √2 были странными "чудовищами", которые появлялись лишь в геометрии, то Диофант давал решения только для признаваемых греками чисел. Итак, игнорирование возможных решений, связанных с нерациональными числами, было характерным для Диофанта и все еще было живо в XVII веке. Рациональные числа в целом неразложимы на простые множители. Греки знали это, но хотя они были знакомы с простыми числами, они не создали дисциплину, посвященную исключительно числам, которые действительно разложимы на простые множители, то есть натуральным числам. Такую дисциплину основал Ферма, и он был первым, кто понял, что натуральные числа заслуживают отдельного изучения, и первым, кто заложил основы этого изучения анализом свойств простых чисел.

Простые числа — это кирпичи, из которых строятся все натуральные. Уже было рассмотрено несколько примеров, в которых важно, чтобы некая величина была простым числом. Но есть много других результатов, в которых все основывается на простых числах, поскольку исследование свойств этих кирпичиков позволяет делать утверждения, которые нельзя было бы сделать о натуральном числе в целом. У простых чисел есть интересные свойства, которыми не обладают составные (не простые) числа; следовательно, рассуждать о них и выводить свойства составных чисел на их основе — обычная стратегия в теории чисел.

Работы Ферма привлекли внимание математика по имени Бернар Френикль де Бесси (1605-1675), члена кружка Мерсенна. Френикль хотя и не обладал математическим гением Ферма, сделал впечатляющую догадку о свойствах очень больших чисел. Он, как и другие ученые, вел переписку с Ферма: она началась в 1640 году, длилась с перерывами и закончилась почти через 20 лет. Эти отношения, что вообще характерно для Ферма, были сложными. Однако Френикль, возможно, был человеком, который лучше всего понимал вклад этого ученого в теорию чисел.

Решето Эратосфена — самый древний метод определения, является ли число N простым. Для этого составляется список всех чисел до Ν. Исходя из первого простого числа, 2, из данного списка вычеркиваются все числа, кратные 2, до Ν. Затем то же самое делается для первого невычеркнутого числа в списке, то есть 3, затем для 5, и так далее, пока не встречается число, наиболее близкое к √N. Каждое первое невычеркнугое число простое. Если в какой-то момент этого процесса будет вычеркнуто N, мы будем знать, что N — составное число. Наоборот, если удастся дойти до последнего простого числа, наиболее близкого к √N, то N — простое число. Очевидно, что данный способ громоздкий, поскольку требуется узнать все простые числа до √N. Похожий метод — перебор делителей, когда число делится на все простые числа до √N (полученные заранее) либо на два и все нечетные числа до √N, пока не будет найдено число, являющееся делителем N, или не закончится список.

Такие методы, как решето Эратосфена, могут быть более или менее сложными. Изучение эффективности алгоритма вычислений является одной из самых важных ветвей исследования в науке о вычислениях. Появляются неразрешимые проблемы, если не существует алгоритма, который мог бы дать ответ. При этом мы можем оценить, за какое максимальное время решается проблема при заданном алгоритме. Это можно обозначить как O(f(n)), где f(n) — любая функция от n, которая, в свою очередь, является мерой "размера" проблемы (например, это может быть число элементов в списке). Могут быть алгоритмы, обладающие сложностью: O(n), O(n²), O(log n), O(nlog n), O(eⁿ) и так далее. С другой стороны, существуют проблемы, которые хоть и разрешимы, но требуют столько времени, что нереально пытаться их решить. Это проблемы экспоненциальной сложности — O(eⁿ) — или, что еще хуже, комбинаторной сложности — O(n!): например, посчитать все перестановки п объектов. Они получают название неразрешимых проблем. Есть и другой очень интересный класс проблем: те, что могли бы быть неразрешимыми, но мы не знаем, так ли это. По сути это проблемы, для которых очень легко проверить верность решения, если оно известно, но нахождение решения кажется неразрешимой проблемой. Мы говорим "кажется", поскольку никто не смог доказать, так ли это. Они называются проблемами NP. Проблема разложения числа на простые множители — самый важный пример для нас. Наконец, существуют разрешимые проблемы: мы знаем, что они решаемы в разумное, известное как полиномиальное, время. Это проблемы порядка O(n^k), O(n log n) или O(log n). Решето Эратосфена — это алгоритм сложности Ο(10^√N), явно экспоненциальной.

Действительно, Ферма, изолированно живший в Тулузе, снова и снова проваливался в своих попытках пробудить интерес коллег к новой области, которую он открывал. Отчасти в его неудачах явно виновата его монашеская изоляция, а отчасти, и в большей степени, причина таилась в его методе работы. Поскольку Ферма не разделял их взглядов и даже к таким корреспондентам, как Френикль, относился с недовольством, для него было невозможно создать школу, набрать учеников, взять на себя роль лидера, исследующего новую территорию.

Всегда, когда Ферма работал над проблемами, которые волновали его современников, его вклад разумно признавался. Но в теории чисел он был один. Он был пионером. Никто его не понимал, никто не мог объяснить, почему эти, казалось бы, тривиальные задачи, нигде не применимые, имеют какое-либо значение. То, что никто не обращал на него внимания, вызвало у Ферма огромную горечь, которая начала проявляться постепенно во все большей враждебности по отношению к современникам.

В переписке через Мерсенна Френикль бросил Ферма вызов, предлагая найти совершенное число из 20 знаков. Ответ от тулузского математика поступил немедленно: не существует такого числа, как и нет такого числа из 21 знака, и это, в свою очередь, доказывает, что гипотеза о существовании по крайней мере одного совершенного числа в каждом интервале между 10ⁿ и 10ⁿ⁺¹ ложная.

В один из тех редких случаев, когда Ферма показал некоторые из своих достижений, в ответе Френиклю в 1640 году он утверждал, что числа Мерсенна М = 2^p - 1 являются простыми, когда показатель степени — простое число. Также если n простое число, то n — делитель 2^n-1 - 1, и, наконец, если п простое число, то единственно возможные делители 2ⁿ - 1 имеют вид k(2n) + 1. Но, как обычно, Ферма не предоставил никакого доказательства.

Первый результат очень важен, поскольку он позволяет отбросить большое количество чисел Мерсенна в качестве кандидатов в простые числа. Второй и третий — сокращенные пути. Второй позволяет найти по крайней мере один делитель некоего числа Мерсенна (который может быть самим числом, что доказывает 2^3-1 - 1 = 3, являющееся делителем 3), а третий позволяет ограничить вид множителей другого числа Мерсенна, в связи с чем его поиск (и последующая проверка того, является число простым или составным) оказывается намного эффективнее: он ограничивается числами такого вида, исключая все остальные. Хотя Ферма не знал лучших методов поиска простых чисел, чем решето грека Эратосфена Киренского (276-194 до н. э.), он все же мог определить простоту некоторых чисел очень быстро, благодаря этим сокращенным путям.

Прямое доказательство теоремы идет от гипотезы и шаг за шагом приближается к выводу. Некоторые из данных шагов можно инвертировать, а другие нет. В целом шаг, содержащий импликацию, нельзя инвертировать. Рассмотрим это на бытовом примере. Можно сделать вывод, что тротуар мокрый, из того факта, что идет дождь, но мы не можем сделать вывод о том, что идет дождь, из того, что тротуар мокрый. Последнее могло произойти из-за обстоятельств, не связанных с дождем: например, воду пролила проехавшая автоцистерна или тротуар полили из обыкновенного шланга. Если идет дождь, то тротуар мокрый; но необязательно наоборот. Значит, тот факт, что идет дождь, — достаточное условие для того, чтобы тротуар был мокрым, но не необходимое. Такая однонаправленность присутствует, среди прочего, в малой теореме.

Ферма воспользовался третьим результатом, чтобы доказать, что не существует ни одного совершенного числа из 20 или 21 знака. Для начала он установил, что 2³⁷-1 — единственное число Мерсенна, которое может образовать по формуле Евклида совершенное число из 20 или 21 знака (это предполагает знание и принятие за справедливую теорему, обратную теореме Евклида, доказанную Эйлером несколько лет спустя). Затем он доказал, что данное число Мерсенна не является простым, поскольку делится на 223 = 3 · (2 · 37) +1, что как раз имеет вид k(2n) + 1. Действительно, вместо того чтобы вычислять огромное количество простых чисел, которые могли бы быть делителями 37-го числа Мерсенна, Ферма было достаточно постепенно попробовать числа к(2 · 37) + 1 для различных значений к. На третьей попытке он уже нашел ответ.

В письме Френиклю ученый говорил, что начал различать свет чудесных результатов. Но на самом деле он уже видел этот свет. Два последних результата, о которых он сообщал Френиклю, были следствиями намного более общего результата, известного сегодня как "малая теорема Ферма" (чтобы отличать его от Великой теоремы). Парадокс в том, что "малая" теорема Ферма намного более значима для теории чисел, чем "Великая".

В том же 1640 году Ферма ознакомил с малой теоремой Френикля. Малая теорема Ферма применима только к простым числам. В ее современной формулировке в теореме говорится, что при заданных простом числе p и натуральном числе a, если p не является делителем a, то a^p-1 - 1 делится на p. Сначала не очень ясна значимость данной теоремы, однако она устанавливает основополагающее свойство этих кирпичиков, простых чисел, что влечет за собой очень интересные последствия.

Годфри Харди около 1912 года отмечал, что теория чисел не имеет практического применения. Тем не менее ситуация радикально изменилась, когда в 1977 году был разработан шифровальный алгоритм под названием RSA, который основан на разложении числа на два простых множителя (нахождение решения) и умножении двух множителей для получения числа (сверка решения).

Взломать данный код означает разложить на простые множители огромное число. Это должно быть очень сложно, чтобы алгоритм был успешен. Наоборот, те, кто знают множители, могут легко зашифровать и расшифровать сообщение, поскольку для этого требуется только умножение. Впервые теория чисел получила практическое применение. От данного принципа сегодня зависят все шифрованные операции в интернете, не больше и не меньше. Однако надежность метода, понимаемая как разница во времени между шифровкой и дешифровкой, с одной стороны, и взломом кода, с другой стороны, не могла быть доказана. Вся электронная экономика висит на этом математическом волоске, хотя большинство экспертов считают, что алгоритм надежен.

Ферма изобрел метод разложения на множители исходя из того, что нечетное неквадратное число нельзя записать как N = х² - y², где

x = (n₁+n₂)/2 и e = (n₁-n₂)/2.

Можно легко доказать, что N = n₁n₂. Если N — простое число, то n₁ = N, а n₂ = 1. В противном случае n₁ и n₂ — собственные делители N. Поскольку n₁ и n₂ нечетные, так как N нечетное, то х и у — целые числа. Отсюда следует, что решение предыдущих уравнений для х и у предполагает возможность разложения N на множители. Для решения этого уравнения прибегают к проверкам, начиная с целого числа m, которое выполняет некое свойство, и, если оно не является решением, продолжают с помощью другого числа m', которое получается на основе m, и продолжают таким образом, пока не получают собственный делитель или не доходят до самого числа N. Разложение на множители методом Ферма может стать очень эффективным в некоторых случаях, поскольку числа т должны быть квадратными, и очень часто бывает легко определить, является ли число квадратным, просто посмотрев на него. Действительно, идеальные квадраты могут заканчиваться только на 0,1,4,5,9,16,36,56, 76 и 96, что исключает 90% окончаний. Красота данного метода в том, что в нем не требуется знания всех простых чисел до определенного числа и что если N — составное число и имеет множитель, близкий к √n, то это разложение на множители быстро его определяет.

Как бы то ни было, после всеобщего внедрения RSA и тесты простоты числа (первый шаг алгоритма — найти два огромных простых числа), и алгоритмы разложения на простые множители (которые в худшем случае могли бы разрушить надежность RSA) получили огромную практическую важность.

Итак, Ферма был озабочен проблемой нахождения простого числа. В качестве элементарной проверки, является ли данное число простым, можно задаться вопросом, выполняет ли заданное число требования малой теоремы Ферма; однако заметьте, что здесь речь идет, скорее, про обратную теорему. Следовательно, нет никакой гарантии того, что число окажется простым. Действительно, известно, что так называемые числа Кармайкла не выполняют обратную теорему. Но даже тогда этот тест является настолько простым и быстрым, что он используется при исполнении алгоритма RSA, чтобы быстро отбросить составные числа. Ведь на самом деле тест простоты, основанный на малой теореме Ферма, заключается в том, чтобы выяснить, является ли число составным. В довершение всего малая теорема Ферма также используется, чтобы доказать, что алгоритм RSA верен.

Другие тесты на простоту делятся на вероятностные и детерминированные. К первым относится тест Миллера — Рабина, который также основывается на малой теореме Ферма, или тест Соловея — Штрассена, основанный на теореме Эйлера, обобщающей малую теорему. Последний тест никогда не утверждает, что число простое, если это не так, но он менее успешен с составными числами. Действительно, существуют тесты, более эффективные в том, чтобы показать, что число составное, а другие больше подходят для доказательства того, что оно простое.

Детерминированное продолжение теста Миллера — Рабина основывается на недоказанном результате: расширенной гипотезе Римана. Очевидно, что его эффективность зависит от того, истинна ли эта гипотеза. Однако в 2002 году впервые было объявлено о тесте под названием AKS, который является универсальным (работает для любого числа), детерминированным, безусловным (не зависит от недоказанных результатов) и эффективным (с полиномиальной сложностью вычислений). Алгоритм AKS также основан на обобщении малой теоремы Ферма.

Важно отличать тесты простоты от алгоритмов разложения на множители. В то время как любой алгоритм разложения на множители скрывает в себе тест простоты, тесты простоты не предполагают обязательного разложения на множители. Например, решето Эратосфена не разлагает число на множители (хотя при тривиальном обобщении оно могло бы это делать), а тест, основанный напрямую на малой теореме Ферма, не находит даже ни одного множителя, в то время как перебор делителей действительно разлагает число. Следовательно, даже если и был найден эффективный алгоритм теста простоты, проблема разложения на множители продолжает быть достаточно сложной для того, чтобы алгоритм RSA оставался актуальным. Тест AKS не разлагает число на множители: операции в интернете остаются надежными.

Существует много других результатов, зависящих от малой теоремы. Один из самых известных — то, что мы все замечали: количество знаков после запятой в рациональном числе повторяется периодически, если в данном рациональном числе, выраженном несократимой дробью, знаменатель — простое число р, отличное от 2 и 5 (которые являются простыми множителями 10). Именно поэтому 1/3 - 0,33333..., а 1/7 - - 0,142857142857..., но 1/5 - 0,2, без периодического повторения. Предыдущие рассуждения служат для того, чтобы понять: малая теорема — один из самых важных результатов в теории чисел.

Вот основная теорема, выполняющаяся в каждой конечной группе, называемая обычно малой теоремой Ферма, поскольку Ферма был первым, кто доказал особый ее случай.

Замечание немецкого математика Курта Гензеля в своей книге "Теория чисел" (Zablentheorie, 1913).

Конечно же, Ферма, верный своей традиции, не оставил ни одного доказательства. Теорема была доказана Эйлером, который не знал, что Лейбниц несколькими годами ранее уже доказал ее, хотя результат был опубликован только в XIX веке.

В доказательстве Лейбница используются математические методы, известные Ферма, поэтому возможно, что доказательство Ферма, если оно существовало, было сделано подобным способом.

В любом случае, Ферма явно не догадывался о ее последующем применении. Для него теорема была инструментом для теста простоты некоторых чисел, таких как 2ⁿ - 1. Она была одним из его сокращенных путей, используемых с целью избежать решета Эратосфена. Например, благодаря своей малой теореме Ферма смог подступиться к числам вида аⁿ - 1 при а > 2, которые никогда не являются простыми, сведя кандидатов в их простые делители к меньшему множеству. Как легко увидеть, эти числа — обобщение чисел Мерсенна. Кроме того, малая теорема позволила Ферма таким же образом подойти к числам аⁿ + 1, которые, как он утверждал, являются простыми, если a четное, а n имеет вид 2^m. Именно в ходе этого исследования математик открыл так называемые простые числа Ферма, которые соответствуют этим двум условиям и еще одному — тому, что число m вида 2^2p +1 простое, если р простое.

Но в данном случае интуиция подвела Ферма. Эйлер нашел контрпример при p - 5. Итоговое число делится на 641. Ферма осознавал, что не может доказать этот результат, и говорил о своем разочаровании в течение многих лет; в 1659 году он изложил доказательство своему другу Каркави, но с учетом контрпримера Эйлера, оно, даже если и существовало, явно было ошибочным. В любом случае ясно, что малая теорема позволяла Ферма исключить из своих вычислений любое множество простых чисел — кандидатов в делители чисел некоего вида, что облегчало тесты простоты указанных чисел. Однако, к своему большому разочарованию, он никогда не добился того, к чему стремился, — вывести теорему, позволяющую избавиться от всех простых чисел, которые можно исключить для указанных типов чисел.

Сегодня не существует по-настоящему эффективного и надежного метода нахождения простых чисел произвольного размера; нет формулы вроде той, что нашел Евклид для четных совершенных чисел. В большинстве методов нахождения простых чисел требуется знать все простые числа до некоего предварительного числа либо знать, являются ли числа, соседние с кандидатом на простое число, разложимыми на множители. Следовательно, тесты простоты крайне важны: сначала ищут кандидата на простое число, а потом проверяют, является ли оно таковым.

Казалось, что к концу 1640 года Ферма потерял интерес к суммам собственных делителей. Его следующие исследования по теории чисел напрямую связаны с Великой теоремой.

Рациональные прямоугольные треугольники — это называемые пифагоровыми тройки рациональных чисел х,у и z, которые выполняют теорему Пифагора: х² + у² = z².

Такие тройки очень древние и встречаются уже в Вавилоне и Египте. Но Евклид доказал, что — при заданных двух рациональных числах p и q - r = р² + q², x = р² - q² и y = 2pq - это пифагорова тройка. Из чего непосредственно следует, что количество пифагоровых троек бесконечно, поскольку количество рациональных чисел бесконечно.

Диофант посвятил Книгу VI своей "Арифметики" решению задач, связанных с данным типом треугольников, как он это обычно и делал: рассматривая их в виде отдельных случаев. Его метод решения предполагал составление уравнения или системы уравнений. Проблема была в том, что иногда в результате получалось рациональное отрицательное число, и это не имело смысла, поскольку ни у одного треугольника нет сторон отрицательной длины. В других случаях метод ученого не работал, поскольку некоторые условия, необходимые для успеха, не выполнялись: например, в итоговых уравнениях коэффициент х² или константа должны были быть квадратом. Диофант выбирал свои задачи осторожно, чтобы они соответствовали таким условиям и решение всегда было положительным; "хитрость" заключалась в том, чтобы ставить только задачи, решаемые с помощью предложенного метода.

В 1621 году во Франции Клод Гаспар Баше де Мезириак издал работу Диофанта. Именно благодаря этому изданию Ферма познакомился с Диофантом, и на его полях он сделал свою знаменитую запись Великой теоремы.

Ферма заинтересовался прямоугольными треугольниками, внеся важные коррективы: во-первых, он ограничился изучением треугольников, стороны которых были выражены только натуральными числами. Во-вторых, вместо того чтобы решать частные случаи с особыми числами, Ферма взял метод решения Диофанта и сформулировал его в общем виде. В то время как Диофант был ограничен языком словесной алгебры, Ферма, следуя Виету, уже пользовался символической алгеброй, которая позволяла ему большую возможность абстрагирования. При таких обстоятельствах Френикль написал Ферма в 1641 году и предложил ему задачу: найти треугольник, в котором выполнялось бы следующее уравнение: (x - y)² = y + z². Задачи Диофанта неизменно приводят к уравнениям такого типа.

Ферма не без усилий решил задачу, но через два года у него уже был метод. Он предложил Пьеру Брюлару де Сен-Мартену три подобные задачи, чтобы пробудить его интерес к теории чисел. Брюлар и сам Френикль отреагировали с возмущением. По их мнению, его задачи не имели решения. Они подумали, что Ферма пытается высмеять их. Но тулузец уверил (через Мерсенна), что решение существует, не открывая его. Однако под давлением Мерсенна через некоторое время он предал гласности эти результаты.

Вы спрашиваете меня, является ли число 100 895 598 169 простым или [...] составным. На этот вопрос отвечаю Вам, что это число составное и получается из произведения 898 423 и 112 303, которые являются простыми.

Ферма Мерсенну в связи с малой теоремой

Предполагаемая невозможность основывалась на том, что метод Диофанта давал отрицательный результат; но Ферма разрубил этот гордиев узел. Действительно, когда получался отрицательный корень, он переписывал уравнение, используя данный корень и измененную переменную, и решал методом Диофанта итоговое уравнение. Если снова получался отрицательный корень, он вновь переписывал уравнение, повторяя это действие, пока, наконец, не получал положительный корень. Ферма исследовал неопределенность уравнения для изобретения искусного метода решения.

Пользуясь таким обобщенным подходом, основанным на теории уравнений, Ферма решительно порвал с диофантовым подходом, рассматривавшим частные решения, сделав прорыв, которого его современникам не удалось понять. Ферма перестал зависеть и от квадратных чисел, когда решил задачу; однако его отношения с Френиклем и Брюларом были серьезно испорчены.

В другом письме 1640 года Френиклю Ферма объявил, что нашел общие правила разложения числа на сумму двух квадратов. Это происходило из комментария Баше к одной задаче Диофанта, связанной с разложением числа N на сумму двух квадратов четырьмя разными вариантами.

Разложение числа на слагаемые — проблема, схожая с разложением на множители. Если в последнем случае ищут делители, то здесь — слагаемые. Очевидно, что слагаемые должны быть определенного типа, поскольку нахождение любых слагаемых тривиально. Именно эту проблему Ферма и решил.

Решением является формула, которую мы не будем здесь приводить. Достаточно отметить: значимость результата состоит в том, что Ферма снова удалось найти общий метод, и для этого он воспользовался любопытным свойством простых чисел, которое намного более важно, чем проблема сама по себе. Действительно, Ферма знал, что простые числа вида 4k - 1 не могут быть выражены в виде суммы двух квадратов. Также, хотя доказательство стоило ему большого усилия и было осуществлено с помощью его метода бесконечного спуска, он доказал, что простые числа вида 4k + 1 всегда можно разложить на сумму двух квадратов, и эта сумма единственная. Ферма удалось разбить нечетные простые числа на две различные группы в зависимости от того, выполняют они некое требование или нет. Он использовал эти два результата для доказательства того, что проблема Баше может быть сведена к определению, при заданном числе Ν, сколько его простых делителей имеют вид 4k - 1, а сколько — вид 4k + 1. Действительно, за исключением числа 2 все простые числа могут быть записаны в первом или втором виде, поскольку они оба включают все нечетные числа. Следовательно, только простые делители вида 4k + 1 могут образовывать два слагаемых, а количество вариантов, по которым можно разложить N, — это всего лишь проблема комбинаторики.

Мы снова видим плодотворность изучения простых делителей. Мы можем мало сказать о числе N в целом, зато можем делать утверждения о его простых делителях, которые полны интересных свойств! Таким образом мы в конце концов узнаем что-то о числе N. Этой плодотворной стратегией Ферма пользовался несколько раз. Он сам жаловался Мерсенну в 1636 году, что в арифметике не существует общих принципов решения задач. Через несколько лет сам Ферма установил некоторые из таких принципов.

После 1644 года Ферма внезапно перестал писать своим корреспондентам, и его молчание продлилось десять лет. Этому, без сомнения, поспособствовала в 1648 году смерть его главного корреспондента, Марена Мерсенна, а также тот факт, что его отношения с другими привычными корреспондентами, Френиклем и Брюларом, охладились чуть ли не до разрыва.

Затворничество математика завершилось, когда Блез Паскаль, сын Этьена, обратился к Ферма, чтобы поставить перед ним задачу, с которой началась теория вероятностей. Во время этой переписки ученый воспользовался случаем и начал ставить задачи по теории чисел, надеясь заинтересовать ими Паскаля. Ферма говорил, что важно создать братство математиков, которые, соревнуясь между собой и одновременно сотрудничая, решали бы задачи, поставленные этой теорией. Один из результатов, о которых сообщил Ферма, очень красив. Чтобы объяснить его, нужно вернуться к предмету другого большого арифметического интереса пифагорейцев: треугольным числам и их обобщению — прямоугольным числам.

РИС. 1

РИС. 2

РИС. 3

Треугольное число — это число, которое можно разложить так, чтобы слагаемые образовывали треугольник (рисунок 1). Например, число 10 обладает данным свойством (10 = 1 + 2 + 3 + 4), то есть является суммой первых четырех натуральных чисел. Число 10 лежало в сердце пифагорейской мистики. Они называли его тетраксис, и оно символизировало собой четыре стихии, гармонию сфер и упорядочивание пространства (0 измерений, 1 измерение, 2 и 3 измерения, представленные в каждой линии). Пифагорейцы молились / и клялись им, считая его создателем богов и людей и источником изменяющего творения. Также 1, 3, 6 и 15 — треугольные числа (рисунок 2). А 6 — это первое совершенное число. На самом деле любое совершенное число является треугольным.

Число будет квадратным, если оно образовано квадратом некоего целого числа. Квадратные числа — это 1, 4, 9, 16, 25... и так далее (рисунок 3).

У нас уже есть все исходные данные, чтобы получить результат Ферма: любое число либо треугольное, либо является суммой двух или трех треугольных чисел. Оно также является либо квадратным, либо суммой двух, трех или четырех квадратных чисел. Кроме того, оно либо пятиугольное, либо сумма двух, трех, четырех или пяти пятиугольных. И так далее.

Помимо переписки с Паскалем, Ферма оставил этот результат записанным на другом поле "Арифметики" Диофанта. Неудивительно, что он сопровождается замечанием, практически идентичным замечанию к последней теореме ученого: "Доказательство этого чудесного результата не помещается на этом поле, но я собираюсь написать книгу на данную тему". Как и во многих других случаях, Ферма не сдержал своего обещания: трактат так и не был написан, и доказательства так и не было найдено. Лагранж и Гаусс доказали частные случаи, и, в конце концов, Коши привел общее доказательство в 1812 году. В любом случае, Ферма не удалось заинтересовать Паскаля. В 1654 году тот ответил вежливым и скромным письмом, в котором говорил, что не способен достичь той же математической высоты, что и Ферма, и призывал его продолжать свои исследования и публиковать результаты.

Поскольку Ферма не мог обратиться напрямую к Френиклю, после отказа Паскаля он разработал новый план. Ученый познакомился с трудами англичанина Джона Уоллиса, прочитав книгу, которую ему предоставил Дигби. И он, и Уоллис разработали очень похожий подход к решению проблем, связанных с суммами степеней целых чисел. Полный надежд Ферма обратился к Уоллису, пытаясь заинтересовать его проблемами, которые отверг Паскаль.

Издание 1621 года "Арифметики" Диофанта, в котором Ферма сделал много известных сегодня заметок.

Джон Уоллис принял вызов, который Ферма бросил математикам своего времени.

С 1636 года Ферма, как общеизвестно, переписывался с Маре ном Мерсенном (на изображении), монахом ордена минимов. Последний поддерживал контакт с главными парижскими математиками того времени, среди которых выделяется Этьен Паскаль, отец Блеза.

Виконт Уильям Браункер (на изображении), как и Джон Уоллис, интенсивно переписывались с Ферма в 1657 и 1658 годах.

Однако для привлечения Уоллиса Ферма разработал иную стратегию. Если Паскалю он прямо предлагал сотрудничество, то Уоллису бросил вызов. Ферма написал 3 января 1657 года из Кастра письмо Клоду Мартену де Лорандьеру с просьбой распространить его в математическом сообществе. В нем он говорил о двух частных проблемах. Ферма высокомерно говорил, что Нарбонская Галлия (то есть Южная Франция) даст решение, если Англия, Фландрия и Кельтская Галлия (то есть Париж) будут неспособны сделать это. Здесь таился скрытый вызов Френиклю, который имел возможность прочитать письмо.

Эти проблемы (а также многие другие, которые Ферма также поднял в своей корреспонденции, хотя и не говорил о них открыто) требовали знания уравнения Пелля, общее решение которого Ферма, без сомнения, нашел: х² - py² = 1, если р — простое число.

К несчастью, Ферма не получил желаемого ответа. Корреспонденты считали его задачи неразрешимыми. Так что через некоторое время ученый опубликовал некоторые свои результаты и заявил о необходимости решения теоретических проблем более общего характера. В частности, Ферма изложил уравнение Пелля и попросил решений.

Данное письмо было практически исповедью. Ферма начинал жаловаться на отсутствие исследователей, которые занимались бы чисто арифметическими проблемами (задачами теории чисел). Он связывал это с тем, что геометрия и ее методы запятнали арифметику. Его проект, говорил Ферма, заключался в том, чтобы исключить ее влияние и относиться к арифметике как к отдельной науке, такой же тонкой, строгой и сложной, как и сама геометрия. По его мнению, арифметика должна отдать должное доктрине натуральных чисел как своему наследию.

Программа Ферма теперь была открыта. Сам того не зная, поскольку он считал, что возрождает древнее искусство, математик закладывал основы чего-то совершенно нового: арифметической науки, которую, без влияния геометрии, можно было бы изучать саму по себе с тем же успехом, что и греческую геометрию. К несчастью, никто до Эйлера не рассматривал ее таким образом. Ферма был одинок среди современников. Френикль решил первую проблему и послал четыре результата. Он был неспособен (и, возможно, Ферма знал это) дать ее решение в общем виде. Ответ Уоллиса не мог быть более обескураживающим. Он написал виконту Уильяму Браункеру, который довел до него вызов Ферма, что не существует общих уравнений для решения подобных задач, и на них у него, занятого другими делами, нет времени. Далее он презрительно предложил тривиальное решение обеих проблем: число 1. Его ответ не дошел до Ферма. Он остался в Париже, где Дигби показал письмо Френиклю, который, в свою очередь, поспорил с Уоллисом, может ли 1 считаться числом. Зато до Ферма дошло решение Браункера, с которым Уоллис был согласен. Ученый увидел, что ни Браункер, ни Уоллис его не поняли: он настаивал на получении целых решений, а Браункер выявил метод нахождения дробных результатов.

Ферма ответил Дигби письмом, в котором говорил, что любой глупец может найти решение Браункера и Уоллиса. Подумав о традиционной вражде между англичанами и французами, он, возможно и не желая этого, высказался, по мнению англичан, оскорбительно, заявив, что "урожай определяется по полю, на котором он вырос". Таким образом Ферма намекнул на отсутствие у них математического таланта, а затем, подлив еще масла в огонь, тулузец добавил к своему письму суровую критику книги Уоллиса, которую ему вручил Дигби.

Мы ждем этих решений, и если Англия, Бельгия или Кельтская Галлия не получат их, то их предоставит Нарбоннская Галлия.

Отрывок из письма, которое Ферма написал 3 января 1657 года Клоду Мартену де Лорандберу, бросая вызов европейским математикам

Ответ Ферма дошел до всех заинтересованных лиц, но последующая полемика проходила без тулузца, превратившись в состязание между Френиклем и Дигби, с одной стороны, и Уоллисом и Браункером, с другой. Уоллис настаивал на том, что в этих задачах, которые можно было придумать в большом количестве, не было никакой пользы и сложности. Он не видел теоретических аспектов, замеченных Ферма. Задачи казались бессмысленным развлечением, не заслуживающим внимания "всей Англии, Франции и Голландии".

Уоллис считал, что таких предложений бесконечное множество, и все они скучны и нецелесообразны, поэтому он не понимал, почему Ферма придает такое значение тому, чтобы удивить Френикля своими "смелыми" утверждениями о частных уравнениях с ограниченным (или нулевым) числом решений. Как мы увидели, Уоллис серьезно ошибался. Проблемы, поставленные Ферма, привели к очень плодотворным исследованиям.

Однако Ферма не сдавался. В письме Дигби в июне 1658 года он говорил о своей надежде на то, что Уоллис и Браункер поймут все так, как он считает нужным. Гораздо более примирительным тоном ученый просто просил, чтобы англичане признали свою ошибку. Уоллис так и не ответил. Он ограничился тем, что добавил его письмо к заключению к своей книге об этой полемике. Попытка Ферма добиться того, чтобы теория чисел пересекла Ла-Манш, провалилась. По иронии, Джон Пелль, малозначимый английский математик, скопировал уравнение Ферма (которое, с другой стороны, уже было известно в Индии) из книги Уоллиса. Его работа дошла до рук Эйлера, который, не зная, кто истинный автор, назвал данное выражение уравнением Пелля. Вновь Ферма был обманут последующим поколением.

Все больше сдающийся и разочарованный Ферма предпринял последнюю попытку заинтересовать всех своей страстью и новым миром, о котором догадывался только он. Эта попытка была связана со знаменитым нидерландским математиком Христианом Гюйгенсом, который написал в 1656 году тулузцу, призывая его опубликовать свои результаты.

Ферма в конце концов создал небольшой трактат, который послал Каркави, чтобы тот переправил его Гюйгенсу. В данном трактате математик говорит, среди прочего, о методе бесконечного спуска (мы уже упоминали о нем в связи с Великой теоремой) и объясняет, как он воспользовался им для доказательства результата о разложении простых чисел 4k + 1 на сумму двух квадратных чисел, едва набросав доказательство. Вновь победила скрытность Ферма, демонстрируя результаты, изложенные без доказательства, едва намеченные доказательства и неполные описания исследования.

В завершение Ферма ссылался на отсутствие времени для написания законченного трактата и выражал надежду на то, что другие математики заполнят эти пробелы (он имел в виду конкретно Френикля и Каркави). Он писал: "Последующие поколения, возможно, поблагодарили бы меня за то, что я показал, что древние знали не все".

Гюйгенс повторно выразил свое восхищение им, но, как ранее и Паскаль, отказался участвовать в исследовании новой теории чисел. Так же как и другие математики того времени, он не видел пользы в том, чтобы заниматься этими проблемами. Гюйгенс был прикладным математиком, человеком, интересующимся проблемами физики и их решением с помощью математики. Ферма, наоборот, такие проблемы не интересовали. Разногласие между обоими подходами к математике оказалось неразрешимым. Если в начале переписки Гюйгенс был воодушевлен Ферма, то ее продолжение все больше разочаровывало его. Кроме того, что он не понимал открытий Ферма в области теории чисел, его запись, в которой тот был верным последователем Виета, была сложной для Гюйгенса в сравнении с более ясной записью Декарта. Проблемы, поставленные Ферма, были либо тривиальными, либо уже решенными, поскольку иногда математик посылал ему свои прошлые исследования, возможно не зная, что они уже устарели. Постепенно переписка прекратилась, а с ней пропала и последняя для Ферма возможность привлечь ученика к работе над его исследованиями.